雷电灾害是严重的自然灾害,雷电防护技术仍有待进一步发展,雷电流采集系统通过采集存储雷电流数据为研究自然雷电提供原始数据,对雷电防护技术的提高起着关键作用,因此雷电流采集方法的研究与采集系统的设计具有重要意义。但是现阶段对雷电流的检测与采集普遍存在误触发、漏触发、采集波形数据不完整、采集数据精度差等问题,对提高雷电防护技术,分析雷电事故,排查设备故障等工作带来困扰。因此,研究雷电流采集方法与设计雷电流采集系统是必要的。本文主要以雷电流采集系统为研究对象,基于雷电流特性,结合罗氏线圈的电流测量原理,确立了系统的方案和性能指标。使用软件触发,提出了一种雷电流判别算法,用于侦测和提取雷电流,改善现有雷电流采集系统的不足,提高采集数据的质量。根据系统方案和性能指标要求,设计了硬件电路、编写了下位机和上位机软件,完成了雷电流采集系统的设计,进行了整机测试和误差校准,实现了雷电流采集的基本功能。具体工作内容如下:(1)系统地分析了五种常见的雷电流模型,指出了各个函数模型之间的关系、各自的优缺点和各个模型的适用范围。选用10/350us波形为标准雷电波,利用傅氏变换和帕斯瓦尔定理对雷电流波形的频谱、能量进行了研究,对雷电流模型的陡度进行了分析,给出各模型的参数,并进行了对比分析,为雷电流采集系统的设计提供理论依据。分析了罗氏线圈结构特点和测量电流的基本原理,使用罗氏线圈集总参数等效电路模型分析了幅频响应和相频响应,通过仿真,得到理想情况下测量雷电流的误差在2%左右,满足雷电流采集的要求。(2)针对雷电流采集系统存在的漏触发、误触发和波形数据完整性问题,分析了硬件触发和软件触发的不足以及标准差作为判据的优缺点,提出了以残差平方和作为判据的雷电流判别算法,用于侦测和提取雷电流,改善了误触发引起的数据质量问题。使用雷电流判别算法可降低触发阈值,从而改善了漏触发和数据完整性问题。雷电流判别算法以双指数函数模型为基础,七种常见波形为参考生成标准点,对采集到的数据集使用标准点进行残差平方和计算,根据计算结果判断数据集是否为雷电流数据。经过仿真分析和实验测试,雷电流判别算法效果明显,具有一定的实用价值。(3)下位机中设计了信号调理电路,解决雷电流传感器输出范围与模数转换器输入范围不匹配的问题;结合数据缓存技术,设计了以FPGA为核心的高速采集模块。为使野外环境下,下位机能够上传数据,设计了无线通信模块;考虑到野外网络覆盖差,为提高容错性,设计了下位机存储系统。设计了通信协议,具有检错功能,确保数据的正确传输。上位机完成了与采集节点的通信、数据存储、参数提取和显示等功能。设计了串口通信和网络通信两种方式,用于数据传输;采用分类存储的方法,设计了统一的存储格式;完成了雷电流判别算法的程序设计,实现了波形绘制等功能。(4)采用雷电流发生器产生雷电流脉冲对系统的各项功能、整体性能和采集精度进行测试,使用最小二乘法拟合误差曲线对系统校准。理论分析和测试结果表明,系统的整体误差在3%左右,测量雷电流范围在-100k A～100k A之间,采集速率可达50MSPS,雷电流数据可稳定上传和存储,各项功能运行良好,整体上满足雷电流采集的要求。